汽輪機(jī)徑向間隙影響因素及敏感性分析

于磊, 張遠(yuǎn), 蔣宇

（1.哈爾濱電氣股份有限公司，哈爾濱150001；2.哈爾濱汽輪機(jī)有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

0 引言

汽輪機(jī)的徑向間隙包括軸封間隙以及葉頂汽封間隙，汽輪機(jī)徑向間隙的合理化設(shè)計(jì)，是影響汽輪機(jī)熱效率和熱經(jīng)濟(jì)性的主要因素，同時(shí)也是汽輪機(jī)安全運(yùn)行的可靠保證。

若通流徑向間隙設(shè)計(jì)過大，級(jí)效率就會(huì)減少，在一定程度上會(huì)影響汽輪機(jī)的運(yùn)行效率。孫啟德[1]指出，高壓缸葉頂汽封間隙優(yōu)化值達(dá)到0.2 mm，汽缸效率最大可提高2.3%。苑志軍[2]指出，高壓渦輪葉頂間隙每增加0.254 mm，燃油消耗率將近似增加1%，排汽溫度增加10℃。同時(shí)，若高中壓軸封間隙設(shè)計(jì)過大，則可能造成汽輪機(jī)油中帶水；若低壓軸封間隙過大，真空系統(tǒng)嚴(yán)密性就會(huì)降低。

若汽封徑向間隙設(shè)計(jì)過小，將導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生動(dòng)靜碰磨，使機(jī)組振動(dòng)過大，造成多次無法順利啟機(jī)。同時(shí)機(jī)組持續(xù)動(dòng)靜碰磨會(huì)造成大軸彎曲，影響關(guān)鍵零部件的壽命。若機(jī)組徑向間隙設(shè)計(jì)不合理，沒有考慮軸承變形、油膜抬升以及汽缸變形等因素，使機(jī)組運(yùn)行時(shí)徑向間隙不均勻，將導(dǎo)致機(jī)組高負(fù)荷下產(chǎn)生汽流激振而無法帶滿負(fù)荷。

綜上所述，合理地設(shè)置徑向間隙是十分必要的。本文總結(jié)影響計(jì)算汽封徑向間隙的因素，并通過對(duì)影響因素的敏感性進(jìn)行分析，從而得到汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)影響因素變化對(duì)徑向間隙的影響。

1 安裝間隙

安裝間隙是冷間隙和偏置的差值。冷間隙是徑向間隙的設(shè)計(jì)值，安裝間隙是安裝過程中考慮了偏置后的間隙。當(dāng)考慮轉(zhuǎn)子偏置，靜止件的偏置以及轉(zhuǎn)子靜撓度后安裝間隙不會(huì)是上下左右相同的數(shù)值，而是橢圓形，這樣才能保證運(yùn)行時(shí)靜止部件與轉(zhuǎn)子同心。冷間隙的設(shè)計(jì)值可以通過計(jì)算運(yùn)行時(shí)的熱間隙進(jìn)行調(diào)整，如運(yùn)行時(shí)的熱間隙過大，則間隙余量過大，影響了機(jī)組效率，因此適當(dāng)減小冷間隙設(shè)計(jì)值；如運(yùn)行時(shí)的熱間隙過小，則間隙余量過小甚至產(chǎn)生零間隙或者負(fù)間隙，從而運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生碰磨，因此適當(dāng)增加冷間隙設(shè)計(jì)值。下面以AP10000為例進(jìn)行研究。冷間隙的設(shè)計(jì)值如表1、表2所示，偏置示意圖如圖1所示。

表1 AP1000冷間隙設(shè)計(jì)值（高壓） mm

表2 AP1000冷間隙設(shè)計(jì)值（低壓） mm

圖1 偏置示意圖

2 運(yùn)行時(shí)的熱間隙

圖2 動(dòng)葉熱間隙（即葉頂汽封）

圖3 靜葉熱間隙（即軸封間隙）

安裝間隙為各徑向間隙的初始狀態(tài)，運(yùn)行時(shí)由于各影響因素而發(fā)生變化，因此運(yùn)行時(shí)熱間隙是通過各影響因素計(jì)算而得，熱間隙具體示意圖如圖2、圖3所示。熱間隙的具體計(jì)算方法為安裝間隙與各影響因素的代數(shù)和（使間隙增大的因素為正，使間隙減小的因素為負(fù)）。

3 影響徑向間隙的主要因素

影響徑向間隙的因素主要包括油膜厚度引起的轉(zhuǎn)子提升、軸承座的熱膨脹、外缸貓爪的熱膨脹、軸承箱的熱膨脹、靜葉膨脹、動(dòng)葉膨脹、輪盤的膨脹、靜止部件的膨脹、壓載引起的內(nèi)缸支撐撓度、基礎(chǔ)變形等。下面詳細(xì)介紹各個(gè)影響因素。

3.1 由于油膜厚度導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子提升

圖4 油膜厚度所致的轉(zhuǎn)子提升示意圖

如圖4所示，工作轉(zhuǎn)速下由于油膜厚度的變化使轉(zhuǎn)子升高并有偏心，油膜厚度的變化使頂部間隙減小，底部間隙增大，根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向左右間隙分別減小和增大。

3.2 軸承座的熱膨脹

如圖5中的②，軸承座的熱膨脹可導(dǎo)致轉(zhuǎn)子提升，使底部間隙增大，頂部間隙減小。這個(gè)值可由熱脹公式（包含軸承座的高度、溫度及線脹系數(shù)）得到。

圖5 軸承座、外缸支撐及外缸支撐下的徑向變形示意圖

3.3 外缸支撐的熱膨脹

外缸支撐的熱膨脹指的是外缸貓爪的熱膨脹變形，使底部間隙減小，頂部間隙增大。這個(gè)值可由熱脹公式得到。

3.4 高壓外缸支撐下的熱膨脹

外缸支撐下的熱膨脹是指支撐高壓外缸的軸承箱的熱膨脹變形。熱膨脹變形的結(jié)果使底部間隙減小，頂部間隙增大。

3.5 靜葉膨脹

汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于溫度的提升，會(huì)引起靜葉的熱膨脹，靜葉的熱膨脹使上下左右間隙均減小。靜葉熱膨脹計(jì)算公式為：

靜葉熱膨脹=靜葉全長(zhǎng)×線脹系數(shù)×（溫度-環(huán)境溫度）。

3.6 動(dòng)葉膨脹

動(dòng)葉膨脹包括以下四項(xiàng)：1)動(dòng)葉片的熱膨脹。動(dòng)葉片因熱膨脹而產(chǎn)生徑向增長(zhǎng)。動(dòng)葉熱膨脹的結(jié)果使得上下左右間隙都減小。采用熱脹公式計(jì)算。2）離心力膨脹。在工作轉(zhuǎn)速時(shí)，動(dòng)葉因受離心力的作用而產(chǎn)生彈性變形。變形結(jié)果使上下左右間隙都減小。3）圍帶變形。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉片圍帶受離心力的作用沿徑向向外撓曲。變形的結(jié)果使上下左右間隙都減小。4）扭轉(zhuǎn)恢復(fù)。汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)要求制成扭轉(zhuǎn)葉片，由于扭轉(zhuǎn)葉片纖維成螺旋線狀，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)其離心力對(duì)動(dòng)葉片產(chǎn)生一個(gè)附加扭曲，稱為扭轉(zhuǎn)恢復(fù)。動(dòng)葉片的扭轉(zhuǎn)恢復(fù)使上下左右間隙減小。

3.7 輪盤的膨脹

汽輪機(jī)輪盤的膨脹包括離心力膨脹和熱膨脹，膨脹結(jié)果使上下左右間隙均減小。可通過有限元計(jì)算獲得。

3.8 靜止部件的膨脹

靜止部件的膨脹主要是指汽缸及隔板套的熱膨脹，膨脹的結(jié)果是使上下左右間隙增大。

圖6 壓載引起的內(nèi)缸支撐撓度變形示意圖

3.9 壓載引起的內(nèi)缸支撐撓度

如圖6中的尺寸①是低壓內(nèi)缸上下半缸壓差引起的汽缸支撐的變形，結(jié)果是使頂部間隙減小，底部間隙增大。

3.10 基礎(chǔ)變形

支撐汽輪機(jī)基礎(chǔ)的變形，由建筑部門提供。

4 敏感性分析

下面以AP1000高壓電端第2級(jí)靜葉間隙為例，對(duì)影響因素的敏感性進(jìn)行分析。主要針對(duì)的影響因素有軸承座導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子抬升，軸承箱導(dǎo)致的汽缸抬升以及上下半缸的溫差導(dǎo)致的膨脹不均。此三個(gè)因素，由于在實(shí)際運(yùn)行過程中較容易發(fā)生，軸承溫度過高或過低，軸承供油或回油溫度過高或過低，以及上半缸溫度升高，都會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)使用的溫度與實(shí)際溫度產(chǎn)生差異。

表3 不同溫度下運(yùn)行時(shí)的熱間隙及變化率 mm

4.1 軸承座的熱膨脹

軸承座的熱膨脹在計(jì)算過程中取的溫度為60℃。在實(shí)際運(yùn)行中，軸瓦溫度升高或降低，將直接影響徑向間隙的計(jì)算。溫度不同產(chǎn)生的軸承座熱膨脹不同對(duì)運(yùn)行時(shí)熱間隙的影響也不同，具體見表3所示。

說明：括號(hào)內(nèi)百分?jǐn)?shù)為變化率，變化率=（不同溫度下的計(jì)算結(jié)果-60℃的計(jì)算結(jié)果）÷60℃的計(jì)算結(jié)果。

通過計(jì)算結(jié)果我們可以看到，軸承座的溫度不同，會(huì)對(duì)軸承座的熱膨脹產(chǎn)生影響，從而對(duì)運(yùn)行時(shí)的熱間隙影響很大，在溫度降低20℃時(shí)上間隙增大53%，下間隙減小26%；在溫度提高20℃時(shí)上間隙減小53%，下間隙增大26%。

4.2 軸承箱的熱膨脹

表4 不同溫度下運(yùn)行時(shí)的熱間隙及變化率 mm

軸承箱的熱膨脹在計(jì)算過程中取的溫度為75℃，軸承箱的熱膨脹將汽缸抬升，導(dǎo)致上間隙增大，下間隙減小。在實(shí)際運(yùn)行中，軸承箱溫度升高或降低，將直接影響徑向間隙的計(jì)算。溫度不同產(chǎn)生的軸承箱熱膨脹不同對(duì)運(yùn)行時(shí)熱間隙的影響也不同，具體見表4所示。

說明：括號(hào)內(nèi)百分?jǐn)?shù)為變化率，變化率=（不同溫度下的計(jì)算結(jié)果-75℃的計(jì)算結(jié)果）÷75℃的計(jì)算結(jié)果。

通過計(jì)算結(jié)果我們可以看到，軸承箱的溫度不同，會(huì)對(duì)軸承箱的熱膨脹產(chǎn)生影響，從而對(duì)運(yùn)行時(shí)的熱間隙影響很大，在溫度降低20℃時(shí)上間隙減小45%，下間隙增大21%；在溫度提高20℃時(shí)上間隙增大45%，下間隙減小21%。

4.3 上下半缸溫差不同

我們?cè)谟?jì)算上下半缸的變形時(shí)，采用的是有限元的計(jì)算方法，計(jì)算過程認(rèn)為上下半缸接觸的蒸汽溫度相同。但往往在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生上下半缸溫度不同，因此下面計(jì)算上下缸不同溫差時(shí)的機(jī)組運(yùn)行時(shí)的熱間隙，具體見表5。

表5 上下半缸不同溫差時(shí)的熱間隙及變化率 mm

說明：括號(hào)內(nèi)百分?jǐn)?shù)為變化率，變化率=（不同溫度下的計(jì)算結(jié)果-溫度相同時(shí)的計(jì)算結(jié)果）÷溫度相同時(shí)的計(jì)算結(jié)果；此處上下缸溫差指的是下缸溫度不變，上缸溫度升高或降低。

通過計(jì)算我們可以看到，上下缸的溫差會(huì)產(chǎn)生上下缸的膨脹不均勻，從而影響了運(yùn)行時(shí)的熱間隙。本文僅考慮下缸溫度不變時(shí)上缸溫度上升或下降時(shí)對(duì)運(yùn)行時(shí)熱間隙的影響，其他情況不在此敘述。在上下缸溫差達(dá)到30℃時(shí)，上間隙增大或減小86%。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)汽輪機(jī)徑向間隙影響因素的分析，以及對(duì)影響運(yùn)行時(shí)熱間隙的敏感因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)通過合理設(shè)置冷間隙，以及在計(jì)算過程中充分考慮影響徑向間隙的因素，能夠使得計(jì)算結(jié)果更貼近實(shí)際運(yùn)行時(shí)的情況。同時(shí)，對(duì)影響徑向間隙敏感性的因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)軸承座熱膨脹導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子抬升，軸承箱熱膨脹導(dǎo)致的汽缸抬升以及上下半缸的溫差導(dǎo)致的膨脹不均，此三個(gè)因素都會(huì)對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)的徑向間隙產(chǎn)生很大影響。